甜菜堿由于其獨特的功能，已經成為我國飼料行業采用的一種重要的飼料添加劑。天然甜菜堿產量有限使得化學合成甜菜堿受到重視，其中以氯乙酸、燒堿或純堿以及三甲胺為原料化學合成甜菜堿的研究比較活躍。關于甜菜堿合成反應的適宜條件存在差異，各生產廠家實際應用的合成條件也不相同；但均認為甜菜堿合成反應應先在低溫下進行一段時間，然后在更高溫度下完成反應。     合成條件研究結果不一致的根本原因是人們雖然很容易化學合成甜菜堿，但是即使是在實驗室，人們也極難從反應完成的體系中分離出高純度的甜菜堿。甜菜堿和副產物氯化鈉的分離一直都較困難；此外，當甜菜堿中存在著三甲銨鹽、氯化鈉等雜質時，用非水滴定法、比色法以及總氮法(楊官娥等，2000)定量測定甜菜堿不能得到準確結果。由此可見，一方面很難獲得高純度的甜菜堿，一方面又要用重復性很差的收率來衡量合成條件的優劣，再加上沒有可靠的定量分析方法，這必然導致互不相同、甚至是錯誤的研究結果。

     本實驗研究了以氯乙酸、燒堿和三甲胺為原料化學合成甜菜堿的反應條件，且試驗結果較可靠，現提出謹供參考。

l材料與方法

1．1試驗主要材料、試劑和試驗設備氯乙酸(工業級，含量實測值96．4％，產于石家莊)；三甲胺(工業級，含量實測值30．0％，密度0．891 g／mL，產于河北)；氫氧化鈉、氯乙酸鈉、硫酸(均為化學純，北京產)。 SC-15數控超級恒溫槽、KELTEC AU— T01030定氮儀、磁力攪拌器、容量瓶、燒杯、移液管、5 mL注射器、水銀溫度計等。

1．2合成原理  氯乙酸與氫氧化鈉反應生成氯乙酸鈉，然后與三甲胺反應生成甜菜堿，反應式如下：     C1CH2COOH+NaOH=CICH2COONa+H20；     C1CH2cOONa+(CH3)3N=(CH3)3NCH2C00+NaCl。 副產品為與甜菜堿等摩爾量的氯化鈉，合成反應產物中一般還有未消耗完的三甲胺。甜菜堿一旦生成就成為結構非常穩定的化合物，一般酸性、堿性或者高溫環境下不會分解，更不會揮發。

1．3試驗方法

1．3．1  反應時間的界定。以氯乙酸鈉和三甲胺剛接觸混合之時為反應的開始；由于氯乙酸鈉和三甲胺生成甜菜堿的合成反應只能在堿性溶液中進行，因此，當反應進行到指定時間即以硫酸溶液酸 化反應體系終止合成反應，同時也將體系中三甲胺的量進行固定。

1．3-2  以合成產率為考察反應條件的依據。以對氯乙酸計算的甜菜堿合成產率為依據。要得到可靠的合成產率數據，就需要對合成反應體系中的甜菜堿進行準確的定量分析。

1．3-3分析方法。甜菜堿是含氮有機化合物，高溫下催化劑存在時用濃硫酸可將其有機氮消解轉化為無機銨態氮；三甲胺鹽、銨鹽遇堿即轉化為三甲胺、氨，高溫環境下極易揮發，故其氮量可直接測定，這部分氮稱為揮發氮。 將酸化后的反應體系全部轉移到容量瓶并定容、混合均勻，然后用移液管量取兩份體積完全相同的樣品，一份消化后用定氮儀測其總氮，另一份不消化直接用定氮儀測其揮發氮，二者的差值即代表了甜菜堿的量，據此可以計算出反應體系中甜菜堿的絕對量，從而準確獲得對氯乙酸計算的產率。

 1-3 4氯乙酸鈉溶液的制備。用分析天平準確稱取一定量的氯乙酸，用水溶解，冷卻攪拌下滴加氫氧化鈉溶液中和至pH為7～8，全部轉移到容量瓶定容，混合均勻，計算出該溶液每毫升含有氯乙酸鈉的質量。

 1．3．5條件試驗。由于是放熱反應，從能夠快速散熱、定容、界定反應時間考慮，以10 mL容量瓶為合成反應器。先用移液管準確量取一定量的氯乙酸鈉溶液(其量須使反應液定容為10 mL時，氯乙酸鈉起始濃度達到指定值)置人容量瓶，再將按摩爾比設定值量取的三甲胺溶液加入到容量瓶中，立刻計時，補加水使反應液定容至刻度，迅速用橡膠塞密封、振蕩混合均勻并靜置于指定的環境中反應，至指定時間時，用注射器注入1 mL 6 tool幾H2s0。并立刻振搖混合均勻，待分析。另設平行樣觀察反應溫升。

 1．3．6放大試驗。1)封閉體系下：放大試驗在容量瓶中進行，步驟同1．3．5，考慮到放熱，設定氯乙酸鈉的起始濃度為1．00 illOl／L，在指定溫度的水浴中反應。2)開放體系下：在通風柜先將準確量的氯乙酸鈉溶液置于燒杯中，低速磁力攪拌，冷水浴控溫，液面以下滴加指定量的三甲胺溶液，滴完即計時，調整反應體系的體積，在指定溫度下繼續反應至指定的時間，然后加入6 1"／101／L H2SO4酸化反應 體系終止反應。

 2結果與分析

 2．1條件試驗結果

 2．1．1合成反應的時間。甜菜堿的合成是放熱比較迅速的反應，試驗很難控制反應在某一精確溫度下進行，因此，反應溫度的變化范圍就是我們觀察的重點，結果見表1—3。     表l反應物料起始溫度、環境氣溫     均為30℃時的反應速度

反應時間(mIn)	產率(％)	反應條件
5     L0      20      30      45      60     75     90     105	53.9      78.0      88.9      92.3      94.4     96.9      95.9      95.7     95.9	反應物料混合前的溫度均為30℃，混合盾反應器置于氣溫為30℃的大氣中，氯乙酸鈉起始濃度1.00 mol／L，氯乙酸鈉與三甲胺的摩爾比為1 00：1,30，反應器內部中心溫度最高曾達38℃．此溫度維持的時間未超過15mm。

 

表2反應物料起始溫度為20℃、環境氣溫為25℃時的反應速度

反應時間(min)	產率(％)	反應條件
5     10     20     30     45      60      75      90      105	30.5      60.6      79.2      89.1      90.9     95.5      95.7      96.1      95.7	反應物料混合前的溫度均為20℃，混合后反應器置  于氣溫為25℃的大氣中，氯乙酸鈉起始濃度1 00  rnol／L，氯乙酸鈉與三甲胺的摩爾比為1.00：l.20，反應器內部中心溫度最高曾達27℃，此溫度維持的時間未超過10miu。

 

表3反應物料起始溫度、反應器水浴溫度     均為20℃時的反應速度

反應時間(min)	產率(％)	反應條件
5     10      20      30      45      60      75     90     105	47.2      66.4      80.3      86.3      89,8     91. 4     92.6      93.8      94.1	反應物料混合前的溫度均為20℃，混合后反應器置于氣溫為20℃的水浴中，氯乙酸鈉起始濃度2.00 mol／L，氯乙酸鈉與三甲胺的摩爾比為1. 00：1.10，反應器內部中心溫度最高曾達23℃，此溫度維持的時間未超過5min。

 

由表1—3可以看到，甜菜堿的合成反應速度是很快的，在25～40℃，反應1．0 h時合成產率達最大值，這與崔玉民(2001)認為需2．0—5．0 h才能完成反應的結論不同，只是當反應溫度控制在20—25℃時，其反應速度有所減慢。合成反應在20—40℃進行，對控制三甲胺的揮發有利。 2．1．2關于升溫反應。先在30℃下反應1．0 h后分別再升溫至指定的更高溫度下反應2．O h對產率的影響，見表4。     表4升溫對合成產率的影響

試驗號	反應溫度（℃)					產率(%)	反應條件
	30	40	50	60	70
1    2    3    4	I.0h  I.0h 1.0h 1.0h	2.0h    -    -   -	-  2.0h   -   -	-   - 2.0 h    -	-    -   - 2.0 h	97.3  96.6   97.1   97.4	反應物料混合前的溫度均為30℃，混合后反應器置于30℃的水浴中1.0h，然后再在指定的更高溫度的水浴中反應2.0h．氯乙酸鈉起始濃度1.00mol/L,氯乙酸鈉與三甲胺的摩爾比為1.00:1.30

 

數據表明，繼續在更高的溫度下反應合成產率并無顯著提高，可見沒有必要升溫繼續反應。這與現有文獻提出低溫反應后須再將溫度升高至70一80℃繼續反應的結論不一致(楊官娥等，200l；柳恒等，1999)。 2．1．3氯乙酸鈉與三甲胺的摩爾比對合成產率的影響。見表5。     表5氯乙酸鈉與三甲胺的摩爾比對合成產率的影響

氯乙酸鈉：三甲胺	產率(％)	反應條件
l.00：1.00      1.00：1.10      1.00：1.20     1.00：1.30      1.00：1.40	96.3      96.9      96.4      96.2     96.8	反應物料混臺前的溫度均為30℃，混合后反應器置于氣溫為30 ℃的大氣中l-0 h，氯乙酸鈾起始濃度1.00 mol／L。

 

  結果表明，三甲胺過量對產率無顯著影響，這與楊官娥等(2001)的結果一致。工業生產時三甲胺的添加量應該適當過量以彌補加料過程中可能的揮發損失。這也提示，工業生產中如果能采取措施盡量減少三甲胺在加料、反應過程中的揮發損失，那么三甲胺的過量就可以相應地減少。 2．1．4反應物起始濃度與合成產率。見表6。     表6反應物起始濃度對合成產率的影響

氯乙酸鈉起始濃度(moliL)	產率(％)	反應條件
0.50      1.00      1 50      2.00	95.8    96.l   96.7    96.8	反應物料混合前的溫度均為30℃．混合后反應器置于30℃的水浴中1.0 h，氯乙酸鈉與三甲胺的摩爾比為l.00:1.10

 

數據表明，氯乙酸鈉的起始濃度在O．50- 2．00 m01／L時，在表6所述反應條件下均能達到基本相同的合成產率，而工業生產選擇較高的起始濃度在很多情況下可以節省能耗。 2．2放大試驗結果 2．2．1封閉體系下放大。見表7。   表7合成試驗在封閉體系下放大后的產率

反應體積(mL)	產率(％)	反應條件
25      50      100     250     500	96.5      96.8      96.2      96.9      96.7	反應物料混合前的溫度均為30℃，混合后反應器置于30℃的水浴中1.0 h．氯乙酸鈉起始濃度1.00mol／L,氯乙酸鈉與三甲胺的摩爾比為1 00：1.05。

 

可見，封閉體系下放大產率并沒有降低，條件試驗數據是可靠的。 2．2.2開放體系下放大。見表8。   表8合成試驗在開放體系下放大后的產率

反應體積(mL)	氯乙酸鈉加入量(mol)	產率  (％)	反應條件
250      500      800	0.50      1.00      l.60	96.8    96.4   96.8	氯乙酸鈉與三甲胺的摩爾比為1.00:1.05,30-60min以內20—30℃液面下滴加三甲胺，滴完后即計時并調整反應體積．在30一40℃反應1.0h。

 

事實上，開放體系和封閉體系的區別僅僅是三甲胺是否有揮發逃逸的途徑。從表中數據可以看到，由于合成反應始終都在40℃以下進行，且是在液面以下加入三甲胺，故其揮發損失很小，即使氯乙酸與三甲胺的摩爾比為1．00：1．05，仍然可以獲得較高的合成產率。 3結論    以氯乙酸、燒堿和三甲胺為原料化學合成甜菜堿的反應在20—40℃條件下就能很快進行，反應1．O h產率即達到最大值96％左右，三甲胺的加量取決于合成過程中三甲胺的損失量，加入三甲胺時的適宜溫度為20～30℃，加畢繼續在30—40℃反應1 h左右的時間可使產率達到最大值。